特許 5774668 エレクトロウェッティング装置及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5774668

(24)【登録日】2015年7月10日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】エレクトロウェッティング装置及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/19 20060101AFI20150820BHJP

   G02B 26/00 20060101ALI20150820BHJP

   G02B 26/02 20060101ALI20150820BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20150820BHJP

   G02B 3/14 20060101ALI20150820BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/19

   G02B26/00

   G02B26/02 H

   G02B26/08 H

   G02B3/14

【請求項の数】12

【外国語出願】

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-245707(P2013-245707)

(22)【出願日】2013年11月28日

(65)【公開番号】特開2014-109782(P2014-109782A)

(43)【公開日】2014年6月12日

【審査請求日】2013年11月28日

(31)【優先権主張番号】101144994

(32)【優先日】2012年11月30日

(33)【優先権主張国】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】506187511

【氏名又は名称】國立中興大學

(74)【代理人】

【識別番号】100096091

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 誠一

(72)【発明者】

【氏名】薛 英家

【審査官】 鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０４０４５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／００７３７４０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００８−５０２９２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／１９

Ｇ０２Ｂ ２６／００ − ２６／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（２１）と、前記基板（２１）の上に支持される電極ユニット（２３）とを含み、内部チェンバー（２１４）を画定する液体閉じ込め部材（２）と、
前記内部チェンバー（２１４）の中に配置され、磁性インクである第１の液体（３１）と、
前記内部チェンバー（２１４）の中に配置され、且つ前記第１の液体（３１）と混じり合わない極性材料である第２の液体（３２）と、
を具備し、
前記第１及び第２の液体（３１、３２）は、それらの間に液体−液体接触面（３３）を画定するように互いに接触し、
前記電極ユニット（２３）は、前記液体−液体接触面（３３）を横切る電界を与えるための外部電源と接続されるように構成され、
前記液体−液体接触面（３３）は、前記液体−液体接触面（３３）を横切る電界の変化に反応して変化する形状を有することを特徴とするエレクトロウェッティング装置。

【請求項2】

前記第１の液体（３１）は、磁性顔料粒子と非極性溶媒を含むことを特徴とする請求項１に記載のエレクトロウェッティング装置。

【請求項3】

前記磁性顔料粒子は、５０ｎｍより大きくない平均粒径を持つことを特徴とする請求項２に記載のエレクトロウェッティング装置。

【請求項4】

前記磁性顔料粒子は、疎水基で修飾した酸化鉄から作成されることを特徴とする請求項２に記載のエレクトロウェッティング装置。

【請求項5】

前記液体閉じ込め部材（２）は、前記基板（２１）を覆うカバー（２２）をさらに含み、前記基板（２１）は、鉛直方向に前記カバー（２２）の反対側にある下部基板（２１１）と、前記下部基板（２１１）から鉛直方向に延び、前記下部基板（２１１）と協働してそれらの間に内部空間（２１６）を画定する包囲バリケード（２１５）と、前記内部空間（２１６）に形成される疎水層（２１２）とを含み、前記電極ユニット（２３）は、前記下部基板（２１１）に設けられた下部電極（２３１）と、前記カバー（２２）に設けられた上部電極（２３２）とを含むことを特徴とする請求項１に記載のエレクトロウェッティング装置。

【請求項6】

前記基板（２１）は、前記包囲バリケード（２１５）と前記カバー（２２）の間に延び、前記カバー（２２）、前記疎水層（２１２）及び前記包囲バリケード（２１５）と協働して前記内部チェンバー（２１４）を画定する親水壁（２１８）をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のエレクトロウェッティング装置。

【請求項7】

（ａ）内部空間（２１６）を画定し、開口部（２１９）を画定する開いた端部（２１７）を有する基板（２１）を与えるステップと、
（ｂ）前記内部空間（２１４）の中の前記基板（２１）の所定の領域に、磁性インクである第１の液体（３１）を与えるステップと、
（ｃ）前記第１の液体（３１）を磁気的に引き付ける磁気ユニット（４）を用いて、前記基板（２１）の所定の領域に前記第１の液体（３１）を位置決めするステップと、
（ｄ）ステップ（ｃ）の後に、前記第１の液体（３１）と混じり合わない第２の液体（３２）を前記内部空間（２１６）に充填するステップと、
を含むことを特徴とするエレクトロウェッティング装置の製造方法。

【請求項8】

（ｅ）ステップ（ｄ）の後に、カバー（２２）で前記開口部（２１９）を覆うステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のエレクトロウェッティング装置の製造方法。

【請求項9】

ステップ（ｂ）において、前記基板（２１）に前記第１の液体（３１）を与えることは、インクジェット印刷技術を用いて行われ、前記第２の液体（３２）は、極性溶媒であることを特徴とする請求項７に記載のエレクトロウェッティング装置の製造方法。

【請求項10】

前記第１の液体（３１）は、磁性顔料粒子と非極性溶媒を含むことを特徴とする請求項７に記載のエレクトロウェッティング装置の製造方法。

【請求項11】

前記磁性顔料粒子は、疎水基で修飾した酸化鉄から作成されることを特徴とする請求項１０に記載のエレクトロウェッティング装置の製造方法。

【請求項12】

さらに、カバー（２２）で前記開口部（２１９）を覆うステップ（ｅ）を含み、
前記ステップ（ｄ）およびステップ（ｅ）において、
前記カバー（２２）と協働して凹部を画定するように、前記カバー（２２）に親水壁（２１８）を形成するステップと、前記凹部に第２の液体（３２）を充填するステップと、前記磁気ユニット（４）によって位置決めされた第１の液体（３１）が充填され、且つ包囲バリケード（２１５）を有する前記基板（２１）を反転するステップと、前記親水壁（２１８）の上端部に前記基板（２１）の包囲バリケード（２１５）を取り付けるステップと、前記第２の液体（３２）を前記内部空間（２１６）の中に流し、前記カバー（２２）で前記開口部（２１９）を覆うため、前記基板（２１）が前記凹部の下に位置するように前記基板（２１）を再度反転させる処理を行うことを特徴とする請求項７に記載のエレクトロウェッティング装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エレクトロウェッティング装置及びその製造方法に関し、さらに詳細には、磁性インクを含むエレクトロウェッティング装置、エレクトロウェッティング装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、エレクトロウェッティング装置は、筺体と、筺体に封入された作動流体を含み、作動流体は、その作動状態を制御するために外部電源が作動流体に印加されたとき、その表面張力を変化させる。エレクトロウェッティング装置は、ディスプレイ、光学液体レンズ、バイオチップ等に応用することができる。

【0003】

特許文献１は、エレクトロウェッティング装置の製造方法を開示している。その方法は、（ａ）基板の上面に包囲壁を形成してマイクロチェンバーを画定するステップであって、包囲壁は、マイクロチェンバーを囲う内面と、内面の上の上面を有し、基板の上面が非疎水性であるステップと、（ｂ）包囲壁と基板の上面を疎水性被覆材料で被覆するステップと、（ｃ）包囲壁の上面に形成された疎水性被覆材料の一部を除去し、包囲壁の上面を露出させるステップと、（ｄ）第１の液体と、第１の液体と混じり合わない第２の液体をマイクロチェンバーに充填するステップと、を含む。第１の液体は、色の付いたインクであり、第２の液体は、電気伝導性溶液である。

【0004】

第１の液体は、エレクトロウェッティング装置が正常に且つ確実に動作できるよう、第２の液体がマイクロチェンバーに導入されるときに、マイクロチェンバーの所定の領域にしっかりと位置決めされ、第２の液体に覆われる必要がある。しかし、第１の液体は、第２の液体の濃度より小さい濃度を持つため、前述の第１の液体の位置決め及び覆うことの制御は、比較的難しい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１２／００７３７４０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、高い信頼性を持つエレクトロウェッティング装置を提供することである。

【0007】

本発明のもう一つの目的は、エレクトロウェッティング装置の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一つの態様によれば、基板と、前記基板の上に支持される電極ユニットとを含み、内部チェンバーを画定する液体閉じ込め部材と、前記内部チェンバーの中に配置され、磁性インクである第１の液体と、前記内部チェンバーの中に配置され、且つ前記第１の液体と混じり合わない極性材料である第２の液体と、を具備し、前記第１及び第２の液体は、それらの間に液体−液体接触面を画定するように互いに接触し、前記電極ユニットは、前記液体−液体接触面を横切る電界を与えるための外部電源と接続されるように構成され、前記液体−液体接触面は、前記液体−液体接触面を横切る電界の変化に反応して変化する形状を有することを特徴とするエレクトロウェッティング装置が提供される。

【0009】

本発明のもう一つの態様によれば、エレクトロウェッティング装置の製造方法が提供される。その方法は、（ａ）内部空間を画定し、開口部を画定する開いた端部を有する基板を与えるステップと、（ｂ）前記内部空間の中の前記基板の所定の領域に、磁性インクである第１の液体を与えるステップと、（ｃ）前記第１の液体を磁気的に引き付ける磁気ユニットを用いて、前記基板の所定の領域に前記第１の液体を位置決めするステップと、（ｄ）ステップ（ｃ）の後に、前記第１の液体と混じり合わない第２の液体を前記内部空間に充填するステップと、を含む。

【0010】

図面において、本発明の実施形態が示される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態の概略図である。

【図2A】本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態の製造方法の一連のステップを示す概略図である。

【図2B】本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態の製造方法の一連のステップを示す概略図である。

【図2C】本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態の製造方法の一連のステップを示す概略図である。

【図2D】本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態の製造方法の一連のステップを示す概略図である。

【図3】図３は、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第２の好ましい実施形態の概略図である。

【図4】図４は、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第３の好ましい実施形態の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態を示す。

【0013】

エレクトロウェッティング装置は、基板２１と、基板２１の上に支持される電極ユニット２３とを含み、密閉された内部チェンバー２１４を画定する液体閉じ込め部材２と、内部チェンバー２１４の中に配置され、磁性インクである第１の液体３１と、内部チェンバー２１４の中に配置され、且つ、第１の液体３１と混じり合わない極性材料である第２の液体３２と、を備える。第１及び第２の液体３１、３２は、それらの間に液体−液体接触面３３を画定するように互いに接触する。

【0014】

電極ユニット２３は、液体−液体接触面３３を横切る電界を与えるための外部電源（図示せず）と接続されるように構成される。

【0015】

液体−液体接触面３３は、液体−液体接触面３３を横切る電界の変化に反応して変化する形状を有する。液体−液体接触面３３は、磁界の変化に反応して変化しないことに留意されたい。

【0016】

第１の液体３１は、磁性顔料粒子と非極性溶媒を含む。第１の好ましい実施形態では、第１の液体３１の非極性溶媒は、ｎ−ヘキサン、ドデカン、オクタデカン、またはシリコンオイルのような炭化水素溶剤から選択された物質から作られる。第１の液体３１は、疎水性の液体であり、内部チェンバー２１４の中で変形するよう電界により駆動されることができ、それにより、液体−液体接触面３３の形状が変化する。

【0017】

第２の液体３２は、極性溶媒である。第１の好ましい実施形態では、第２の液体３２は、水である。

【0018】

第１の液体３１の磁性顔料粒子は、５０ｎｍより大きくない平均粒径を持ち、好ましくは、エレクトロウェッティング装置の所定の動作モード下で所望の色を付与する。

【0019】

好ましくは、第１の液体３１の磁性顔料粒子は、酸化鉄を変性した疎水族疎水基で修飾した酸化鉄から作られる。

【0020】

第１の好ましい実施形態では、液体閉じ込め部材２は、基板２１を覆うカバー２２をさらに含む。基板２１は、鉛直方向にカバー２２の反対側にある下部基板２１１と、下部基板２１１から鉛直方向に延び、下部基板２１１と協働してそれらの間に内部空間２１６を画定する包囲バリケード２１５と、内部空間２１６に形成される疎水層２１２とを含む。電極ユニット２３は、下部基板２１１に設けられた下部電極２３１と、カバー２２に設けられた上部電極２３２とを含む。

【0021】

下部電極２３１は、上部電極２３２、第１及び第２の液体３１、３２、及び外部電源（図示せず）と協働し、回路を形成する。

【0022】

液体閉じ込め部材２の基板２１は、下部電極２３１の上に形成される下部誘電層２１０をさらに含む。液体閉じ込め部材２のカバー２２は、包囲バリケード２１５の上に形成される上部誘電層２２０、及び上部誘電層２２０の上に形成される透過パネル２２１を含む。上部電極２３２は、上部誘電層２２０と透過パネル２２１との間に配置される。

【0023】

内部チェンバー２１４の中の第１の液体３１の形状は、凹状であり、そこに印加される電界だけでなく疎水層２１２の高さによっても制御できることに留意されたい。疎水層２１２を高くすればするほど、内部チェンバー２１４の中の第１の液体３１の中央部の高さは低くなり、第１の液体３１の周辺部の高さは高くなる。

【0024】

第１の液体３１が内部空間２１６から外へ溢れ出るのを防ぐために、包囲バリケード２１５は、疎水層２１２より大きな高さを有する。

【0025】

図２Ａから図２Ｄは、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第１の好ましい実施形態の製造方法の一連のステップを示す。その方法は、（ａ）内部空間２１６を画定し、開口部２１９を画定する開いた端部２１７を有する基板２１を与え（図２Ａ参照）、（ｂ）内部空間２１６の中の基板２１の所定の領域に、磁性インクである第１の液体３１を与え、（ｃ）第１の液体３１を磁気的に引き付ける磁気ユニット４を用いて、基板２１の所定の領域に第１の液体３１を位置決めし（図２Ｂ参照）、（ｄ）第１の液体３１と混じり合わない第２の液体３２を内部空間２１６に充填し（図２Ｃ参照）、（ｅ）カバー２２を基板２１の開いた端部２１７に密封するよう取り付けて、カバー２２で開口部２１９を覆う（図２Ｄ参照）ステップを含む。

【0026】

図１を参照すると、下部電極２３１は、インジウムスズ酸化物の導体膜から作られ、４００オングストローム以上の厚みを有する。下部誘電層２１０は、シリコン窒化物から作られ、約２０００オングストロームの厚みを有する。包囲バリケード２１５は、フォトレジスト材料から作られ、下部誘電層２１０の上に形成される。疎水層２１２は、疎水性化合物から作られ、下部誘電層２１０及び包囲バリケード２１５の上に形成される。

【0027】

包囲バリケード２１５は、スピンコーティング、ディッピング、又はカーテンコーティングの技法を用いて、下部誘電層２１０の上に形成される。第１の好ましい実施形態では、疎水層２１２は、テフロン（登録商標）材料から作られ、スピンコーティング技術を用いて形成される。

【0028】

疎水層２１２と包囲バリケード２１５との高さの差は、疎水層２１２を形成するために使用される疎水性化合物の量、又は包囲バリケード２１５を形成する製造過程を制御することにより調整できることに留意されたい。より具体的には、疎水層２１２と包囲バリケード２１５とをそれらの間に高さの差をもって形成するためには、はじめに、第１のフォトレジスト層のパターンを、フォトリソグラフィ処理技術を用いて下部誘電層２１０の上に形成し、次に、疎水性膜を、スピンコーティング技術を用いて第１のフォトレジスト層と第１のフォトレジスト層から露出した下部誘電層２１０の上に形成し、第１のフォトレジスト層の上端の疎水性膜の上部を、機械研磨技術を用いて除去し、第２のフォトレジスト層を、フォトリソグラフィ処理技術を用いて第１のフォトレジスタ層の上端に形成する。第１及び第２のフォトレジスト層は協働して包囲バリケード２１５を画定し、疎水性膜は疎水層２１２を画定し、第１のフォトレジスト層と同じ高さを有する。

【0029】

磁気ユニット４は永久磁石、電磁石、磁気コイル等から選択される材料である。第１の好ましい実施形態では、磁気ユニット４は、永久磁石である。

【0030】

酸化鉄を変性した疎水族疎水基で修飾した酸化鉄は、炭化水素溶剤の中で鉄−オレイン酸複合物を熱的に複混合することで形成される。そのように形成された酸化鉄を変性した疎水族疎水基で修飾した酸化鉄は、脂溶性を有するため、油溶媒の中で均一に分散する。

【0031】

ひとつの実施形態では、酸化鉄を変性した疎水族疎水基で修飾した酸化鉄を含む磁性インクは、３６ｇのオレイン酸ナトリウム複合物、８０ｇのエタノール、６０ｍｌの脱イオン水、１４０ｍｌのヘキサン、及び１０．８ｇの塩化鉄を混ぜて第１の混合物を形成し、７０℃で４時間のあいだ第１の混合物を撹拌し、鉄−オレイン酸の複合物を得るため、分液漏斗の中で脱イオン水により第１の混合物を洗浄し、３６ｇの鉄−オレイン酸の複合物、５．７ｇのオレイン酸、及び、２００ｇの１−オクタデカンを混ぜて第２の混合物を形成し、第２の混合物を、３２０℃まで毎分５℃の加熱率で加熱して、３２０℃の温度を３０分間維持し、第２の混合物を冷却し、第２の混合物と非極性溶媒とを混ぜることで磁性インクが形成される。

【0032】

内部空間２１６の中の第１の液体３１の付与は、インクジェット印刷技術を用いて行ってもよい。第１の液体３１を覆うための、内部空間２１６の中の第２の液体３２の充填は、インクジェット印刷技術を用いて行ってもよい。

【0033】

図３は、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第２の好ましい実施形態を示す。第２の好ましい実施形態は、第１の好ましい実施形態と、主に液体閉じ込め部材２が複数のユニットセルを画定し、各ユニットセルは第１及び第２の液体３１、３２を収容する内部チェンバー２１４を画定する点で異なる。包囲バリケード２１５の上端とカバー２２の上部領域２２３との間にギャップ部φが形成され、ユニットセルの隣接する内部チェンバー２１４間の第２の液体３２の流体連結が、ギャップ部φを通してなされるようにする。

【0034】

図４は、本発明に係るエレクトロウェッティング装置の第３の好ましい実施形態を示す。第３の好ましい実施形態は、第１の実施形態と異なり、基板２１が、包囲バリケード２１５とカバー２２の間に延び、それらを相互接続し、カバー２２の上部誘電層２２０、疎水層２１２及び包囲バリケード２１５と協働して内部チェンバー２１４を画定する親水壁２１８をさらに含む。図４は、エレクトロウェッティング装置の動作状態も示しており、第１の液体３１は、開放位置に配置され、バルブとして作用する。

【0035】

液体閉じ込め部材２の中に親水壁２１８を含むことで、開放位置に配置したときの開口部５とともに形成される第１の液体３１の開口比を増大させることができ、エレクトロウェッティング装置の解像度、及びコントラスト比を上げることが可能となる。

【0036】

親水壁２１８は、ポリイミドから作ることができ、フォトリソグラフィ処理、エッチング技術を用いて包囲バリケード２１５の上に形成される。

【0037】

第３の好ましい実施形態の製造方法は、第１の好ましい実施形態の製造方法と、主に親水壁２１８を形成する追加ステップ（ｆ）を含み、第２の液体３２の充填を実施し、前述したステップ（ｄ）と（ｅ）において開口部２１９を塞ぐ点で異なる。特に、第３の好ましい実施形態の製造方法では、ステップ（ｆ）、（ｄ）、及び（ｅ）において、親水壁２１８がカバー２２と協働して凹部を画定するように、フォトリソグラフィ処理、エッチング技術を用いてカバー２２に親水壁２１８を形成し、凹部に第２の液体３２を充填し、磁気ユニット４によって位置決めされた第１の液体３１が充填された基板２１を反転し、親水壁２１８の上端部に基板２１の包囲バリケード２１５を取り付けて、第２の液体３２を内部空間２１６の中に流し、カバー２２が開口部２１９を覆うことができるよう、基板２１が凹部の下に位置するように基板２１を再度反転させる処理を行う。

【0038】

第１の液体は、磁性インクから作られるため、内部空間２１６に第２の液体３２を充填している間、磁気ユニット４によって内部空間２１６の中で位置決めされ、それにより、内部空間２１６の中に第２の液体３２を充填している間、第１の液体３１の不要な位置異常を防止することができる。このため、本発明のエレクトロウェッティング装置の中に磁性インクである第１の液体３１を含めることで、信頼性の高いエレクトロウェッティング装置が得られる。

【0039】

本発明を最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連して説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、最も広い解釈の精神及び範囲内に含まれる様々な変更例、及び等価な変更例を包含するように意図されていることを理解されたい。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】